MnZn铁氧体材料应用特性及饱和性研究

赵少琼，高万峰，周成龙，陈晓微

(1.中国兵器工业新技术推广研究所，北京 100089；2. 63850部队，吉林 白城 137001)

随着电子科学技术的飞速进步，MnZn铁氧体作为一种重要的基础磁性材料，已成为电力电子及通信行业磁性元器件的研究重点，被广泛应用于各电子行业与元器件中，如：滤波器、通信、能源、音像设备、传感器、差共模扼流线圈、变压器和磁偏转装置等[1-5]。同时随着计算机网络、高清晰度电视、通信等电子信息产业向小型化、智能化、片式化、高智能化及高频化方向的快速发展[6-8]，对高密度化、轻量化、低损耗、小型化的高性能电子元器件的需求量大幅度增长，从而减小其体积、重量和提升材料的性能提出了更高的要求，也使MnZn铁氧体材料的制备工艺日益完善，发展成为种类繁多、应用广泛的功能材料，促使其向更低的功率损耗和更高的频率方向发展[9-10]。

此外随着人们对电磁干扰影响的日益重视，MnZn铁氧体等抗EMI材料在兵器、航空、航天等军工单位和科研院所等领域也有着广阔的市场前景。本文从MnZn铁氧体材料特性及应用、在滤波器磁芯中的饱和研究分析以及制备工艺方面进行综合介绍。

1 MnZn铁氧体材料的特性及应用

MnZn铁氧体是一种以氧化铁为主要成分的非金属磁性材料，大多适宜于3 MHz以下的频率工作，具有容易磁化又容易退磁、磁导率较高、饱和磁通密度较高、损耗低等特性。根据其材料性能又可分为MnZn功率材料、MnZn高磁导率材料和MnZn高稳定性材料3类。

1.1 MnZn功率铁氧体材料特性及应用

MnZn功率铁氧体又称低损耗铁氧体，具有低功率损耗(Pcv)、较高饱和磁感应强度(Bs)、高磁导率(μi)、高电阻率(ρ)、在直流偏磁场下具有低损耗并能稳定传输高频功率信号等特性[11]，被广泛应用到各种元器件中，如开关电源及功率变压器、扼流线圈、发射机间耦合变压器、脉冲宽带变压器、跟踪接收机高功率变压器、磁偏转装置等。利用MnZn功率铁氧体高饱和磁化强度、高电阻率和低损耗等特性制成的变压器磁芯，已经成为计算机、通信、彩电、录像机、办公自动化及其他电子设备中一种不可缺少的组件。

1.2 MnZn高磁导率铁氧体材料特性及应用

锰锌高磁导率铁氧体的主要特性是磁导率特别高，通常把μi≥5 000的材料称为高磁导率材料，一般要求μi≥12 000[12]。MnZn高磁导率铁氧体具有高初始磁导率、低损耗因数、在宽频或宽温下具有较高的磁导率、硬度高、低总谐波失真(THD)、磁导率减落系数及应力敏感性小等特性，在制作感力元件方面也是其他材料所不能及的。高磁导率铁氧体主要用于EMI滤波器、测控仪器、电子电路宽带变压器、微型低频变压器、抗电磁干扰噪声滤波器、通信网络、脉冲变压器等领域。

1.3 MnZn高稳定性铁氧体材料特性及应用

MnZn高稳定性铁氧体，在宽温内具有温度系数小、损耗低、可靠性高、温度稳定性好等特性。主要用于传递信号的通信变压器、LC滤波器等。

2 MnZn铁氧体材料饱和性试验

当磁性材料在交变磁场中被反复磁化，吸收电磁场的能量，将其转化为热量，这就导致了磁损耗[13]。磁损耗是磁性材料在交变磁场中产生热量的主要原因，常见的磁损耗有涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗。同时磁损耗的存在会导致磁性材料的性能下降，严重时会发生失效的情况，从而给设备的正常工作带来巨大影响。

针对不同MnZn铁氧体磁性材料进行μi-F、μi-T、B-H曲线、居里温度(Tc)等性能研究如下。

2.1 10K、12K材质性能研究试验

1)在不同频率下对材质为10K、12K的锰锌铁氧体进行单匝电感量及磁导率测试，结果见表1和表2。

表1 10K材质与频率关系性能研究试验结果

(续表)

表2 12K材质与频率关系性能研究试验结果

由表1和表2试验结果可知：a.在低频段随着频率的升高，磁导率μi和单匝电感量变化不大，当频率升高到一定值时开始快速下降，从而导致磁性材料性能降低甚至失效；b.磁导率μi和单匝电感量在测试频段内成正相关，磁导率变大则单匝电感量变大，磁导率变小则单匝电感量变小；c.10K材质在50～100 kHz磁性能最好，12K材质在50 kHz以下磁性能最好；d.在50 kHz以下，12K材质性能优于10K材质，在50 kHz以上，12K材质性能劣于10K材质。

2)在不同温度下对材质为10K、12K的锰锌铁氧体进行单匝电感量及磁导率测试，结果见表3和表4。

表3 10K材质与温度关系性能研究试验结果

(续表)

表4 12K材质与温度关系性能研究试验结果

由表3和表4试验结果可知：a.磁导率μi和单匝电感量随着温度的升高而变大，当温度升高到居里温度Tc(130 ℃)附近时开始急速下降，由铁磁状态转变为顺磁状态，从而导致磁性材料失效；b.磁导率μi和单匝电感量在测试温度内成正相关，磁导率变大则单匝电感量变大，磁导率变小则单匝电感量变小；c.10K材质和12K材质均在110～120 ℃磁性能最好；d.在50 ℃以下，12K材质性能优于10K材质。

3)对材质为10K、12K的锰锌铁氧体进行B-H磁滞回线测试，结果如图1所示。

a) 10K

b) 12K图1 10 K和12 K材质B-H测试曲线

由图1试验结果可知：10K材质饱和磁化强度Bs为409，饱和磁化场Hs为600；12K材质饱和磁化强度Bs为386，饱和磁化场Hs为800。

2.2 PC40材质性能研究试验

1)在不同温度下对PC40材质的功率铁氧体进行单匝电感量及磁导率测试，结果见表5。

表5 PC40材质与温度关系性能研究试验结果

由表5试验结果可知：a.磁导率μi和单匝电感量随着温度的升高而变大，当温度升高到居里温度Tc(210～220 ℃)附近时开始急速下降，由铁磁状态转变为顺磁状态，从而导致磁性材料失效；b.磁导率μi和单匝电感量在测试温度内成正相关，磁导率变大则单匝电感量变大，磁导率变小则单匝电感量变小；c.PC40材质在75～210 ℃磁性能最佳。

2)在不同磁场强度和温度下对PC40材质的功率铁氧体进行磁感应强度测试，结果如图2所示。

图2 PC40材质B-H测试曲线

由图2试验结果可知：a.温度一定时，当磁场强度小于200 A/m时，随着磁场强度的变大磁感应强度变大，当磁场强度大于200 A/m时，磁感应强度几乎不变，达到饱和；b.当磁场强度大于100 A/m且在同一强度时，温度越高磁感应强度越小，性能越差。

2.3 DRM95材质性能研究试验

1)在不同频率下对材质为DRM95的锰锌铁氧体进行单匝电感量及磁导率测试，结果见表6。

表6 DRM95材质与频率关系性能研究试验结果

由表6试验结果可知：a.在低频段随着频率的升高，磁导率μi和单匝电感量变化不大，当频率升高到一定值时开始快速下降，从而导致磁性材料性能降低甚至失效；b.磁导率μi和单匝电感量在测试频段内成正相关，磁导率变大则单匝电感量变大，磁导率变小则单匝电感量变小；c.DRM95材质在约为900 kHz时磁性能最好。

2)在不同温度下对材质为DRM95的锰锌铁氧体进行单匝电感量及磁导率测试，结果见表7。

表7 DRM95材质与温度关系性能研究试验结果

由表7试验结果可知：a.磁导率μi随着温度的升高而逐渐变大，当温度升高到居里温度Tc(220 ℃)后开始急速下降，由铁磁状态转变为顺磁状态，继续升高到约240 ℃最终导致磁性材料失效；b.DRM95材质在100～220 ℃磁性能最好。

3 MnZn铁氧体材料制备方法及优化研究

通过上述饱和性试验及查阅相关文献可知，当前MnZn铁氧体的研究重点及影响材料抗饱和性的主要因素是材料制备方法、生产设备和制备工艺[14]。

3.1 材料制备方法

MnZn铁氧体常用的制备方法主要有干法和湿法2种。干法(氧化物法)即将氧化物(氧化铁、氧化锰等)通过一定比例，经过球磨或砂磨、预烧、成型和高温烧结等工艺，制备成MnZn铁氧体材料的方法。这种方法配方准确，工艺简单。工艺流程主要如图3所示。

图3 锰锌铁氧体干法制备工艺流程

湿法是指从各类金属盐的水溶液着手，通过无机溶液反应来生成铁氧体粉料的方法，合成的MnZn铁氧体粉体烧结活性高，成分均匀。其常见的工艺包括化学共沉淀法、水热合成法、溶胶-沉淀法、超临界法、自蔓延高温合成法和微乳液法等。

3.2 制备方法优化研究

在制备过程中，温度过高会使锌氧化物蒸发，从而导致MnZn铁氧体磁导率下降；烧结温度过低，则固相反应不完全，性能达不到要求。对此国内外学者进行了多次尝试与研究进行制备方法的优化：Kogias等[15]采用冷冻干燥取代喷雾干燥，使MnZn铁氧体在高频下的功率损耗降低了25%。在湿法优化上Topfer等[16]采用三元醇法也合成了同样具有超顺磁性的纳米晶MnZn铁氧体，其饱和磁感应强度为79 A·m2/kg。Kumar等[17]分别用自蔓延燃烧法和蒸发法制备了MnZn铁氧体粉末，并对比了这2种方法制备的样品在性能上的差异，但由于局限性这2种方法还难以应用于企业大批量生产中。

4 结语

通过上述研究分析可知，MnZn铁氧体材料磁性能优异，生产工艺简单，成本低廉，随着科技的不断进步、新产品的出现以及高新技术的发展，在产品中的比重将会越来越大，作用也将更重要。同时，市场对MnZn铁氧体材料性能也提出了更高的要求和标准，如向高频率、高磁导率、低损耗方向发展；必须有很高的居里温度，以保证其能在高温条件下性能良好。此外，其制备方法和添加剂种类的研究与完善将是其今后重点的发展方向。